智能写字机器人的设计分析

秦磊 郭松梅

摘要：此文章我着重探究智能写字机器人的设计，分析系统的设计，对智能写字机器人的整个控制系统组成和实现过程的有初步了解，再对智能写字机器人硬件及软件的设计进行重点分析。希望通过我的文章让其他人对智能写字机器人的基本设计有更加深入的了解，同时也希望为后期的智能写字机器人的功能得到更好的发挥进献自己绵薄之力。

关键词：智能;写字机器人;设计及分析

由于信息技术时代的持续发展，现实生活中越来越多领域应用到高新技术，为人们的日常生产和生活创造了便利的条件。我认为机器人是高新技术的标志性产品，可以应用到我们日常生产生活所涉及到的方方面面中去，它正在一步步变成加快经济前进的关键生产设备。其中的智能写字机器人不仅用于教学实践中，而且在生产实际中应用也非常广泛，这些成为我们后续智能机器人主要研究方向。

一、智能写字机器人系统的设计

我所设计的智能写字机器人，它的控制系统由辅助控制计算机、核心控制器、驱动电机和相应的驱动回路这四个部分组成。首先就辅助控制器和上位机而言，所需的文本用计算机转换为其控制系统识别的代码，将文本输出为.nc类型的文件，再用计算机的记事本软件将文件打开，便可以获得此文本的坐标信息。随后通过专业软件（Grbl Controller）和下位机的成功连接，同时将代码传送给单片机和可视化界面，从而文本中的信息可通过单片机来执行，写字进程通过可视化界面模拟出来。下位机的单片机系统通过上机位获得代码，然后识别和转换此代码，同时我通过直线和圆弧插补程序来控制电机的状态。智能写字机器人通过电机部分来执行操作，系统中的电机在控制器的操控下来完成正、反转等多种多样的操作，进而控制写字笔去完成不同位置及方向的移动。智能写字机器人写字的时候，通过控制系统中的脉冲去实完成步进电机的前进和后退。

二、智能写字机器人的硬件设计

我的设计理念是要想实现智能写字机器人的功能，最为重要因素是操控其行走的距离。我所设计的整个系统，主要根据控制器输出脉冲去完成步进电机的实际动作，然后步进电机与联轴器丝杠相连接，确保丝杠前进距离的精准度。与此同时，我们也能根据步进电机旋转步距角的这个操作去实现丝杠前进或后退的距离，根据上述硬件基础，要想输出距离得到有效控制，我们只需要通过精准计算输出的脉冲就可以实现了。智能写字机器人控制器用USB与计算机连接起来，可以产生5 V电源和PC段的串行连结。而微控制器芯片的20个引脚的作用是方便连接并操控其它部位及器件。步进电机运行按照特定顺序和频率将脉冲信号输入到控制绕组中。分配器接收方向电平和控制脉冲信号，并产生控制绕组信号，具体按步进电机分配方式要求来实现。所以需要确定脉冲分配器的信号数量。运行中，脉冲会出现输出信号变化，引起输出状态的变化，转速由高变低，启停以及高低等变化。脉冲发电机和启动器控制的基本流程：首先计算机控制系统处理后，位移和速度等数据传输到单机中。其次单机输出控制脉冲，分配器将信号进行分配和传输给功率并放大电路。最好将放大后的信号出送给多相步进电机，驱动末端运动。

三、智能写字机器人的软件设计

机器人在实际运用过程中，在执行机构内步进电机动作由脉冲实现控制，控制系统中的脉冲与电机运行的前进距离相对应。控制系统中给出相应的坐标，处理中心结合直线补差算法控制器对坐标与行进动作进行处理，控制脉冲信号输入到驱动设备内，驱使进步电机带动负载荷完成直线的绘制任务，这是系统的软件设计上的基础。智能写字机器人实际的运用中，是由计算机对书写的文本文字转换，从而得到坐标，使用矢量图形处理软件Inkscape根据处理后文本的坐标数据，对输入文字编辑框中字符区在任何位置上像素颜色信息进行识别和读取。读出的信息，一般为白色和其他颜色。背景默认不是白色的文本信息，需要在相应位置点划出一个圆;白色背景信息直接跳过，对下一个位置继续扫描，不断执行，直至扫描全部完成，输出相应字符的点阵图。Inkscape软件使用mm作为单位对图形尺寸单位进行设置，将需要书写的文字输入到系统里面，用软件将书写对象转化成书写行走路径并提取出相应的位图轮廓，最后导出.nc格式的坐标文件。基于坐标文件可以对控制器输出控制脉冲以控制步进电机的行进动作。直线笔画是构成汉字的基本要素，但是机器人设计无法准确实现直线运动，需要设计为利用折线轨迹近乎直线运动，因此需要在过程中对行进的路线进行插补。智能写字机器人采用逐点比对法书写进行插补，书写过程中，系统自动比较瞬时坐标和系统识别文字图形的轨迹，判断偏差是否存在，如果发现偏差，下一步的动作要向偏差相反的方向运动， 逐渐得到相对近似的图形轨迹。一般情况，文字书写偏差要保持一个脉冲当量以内。

智能写字机器人在运行时，步进电机的动作主要有为坐标运动进给、坐标偏差计算、偏差判别以及书写终点对比。首先是书写当前位置进行判断，确定落笔点在需要书写直线上的位置。其次根据坐标控制不同的坐标方向移动，完成进给，进给后再次计算移动的坐标位置，同时为后面提供依据。最后要及时比较行进终点进行，确认书写动作是否顺利到达终点，完成笔画书写。除了直线插补，对于文字中撇捺之类的曲线笔画，需呈现为圆弧，采用圆弧插补法，结合写字点坐标、圆心、半径等数值，利用偏差判别式得到實际尺寸，如果得出的偏差点在弧外或者弧上，行进动作向内，反之向外。

结语

智能写作机器设计中主要的部分包括软件和硬件两部分，硬件部分分为控制器、驱动线路、驱动电机等，软件部分有核心控制软件与直线、圆弧插补等，通过软硬件的配合实现直线变化和撇捺圆弧的准确书写，能够准确完成汉字的书写动作。 随着经济社会的发展，智能机器人科技上会有更大的发展，智能机器人的设计会不断创新，对于智能机器人品质在要求上也会不断提升，与此同时也会遇到更多复杂的问题，所以更需要设计人员不断强化对智能写字机器人的研究， 设计出更加合理的方案，能够更好满足智能机器人用户的要求。

参考文献：

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